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1、第一章 概述MFC2000 型微机厂用电快切装置，适用于发电厂厂用电切换，或其它工业部门，如化工、煤炭和冶金等有较多高压电动机负荷的电源切换，这些场合对电源切换要求较高，在电源切换是不能造成运行中断或设备冲击损坏。以往厂用电切换一般采用工作开关辅助接点直接起动备用电源投入，这种方式，若合闸瞬间厂用母线反馈电压与备用电源电压间相交差较大，或可能接近 180，将对电动机造成很大的合闸冲击。对加了固定延时的切换方式，也因各种因素，不能可靠保证躲过反向点合闸。如残压衰减到一定幅值后投入备用电源，则由于断电时间过长，母线电压和电动机转速都下降很大，将严重影响锅炉运行工况，在这种情况下，一方面有些辅机势必
2、退出运行，另一方面，备用电源合上后，由于电动机成组自起动电流很大，母线电压将可能难以恢复，从而导致自起动困难，甚至被迫停机停炉。MFC2000 型微机厂用电快切装置解决了上述厂用电安全运行问题，从 1997年投运运行，已经在很多电厂广泛地应运，而且动作正确率和切换成功率均很高，实践证明其可靠性较强，本快切装置经历了两代装置，第一代是 MFC2000-1 型快切装置，第二代是 MFC2000-2 型快切装置，是 MFC2000-1 型装置的改进型，在硬件上和软件上都采用了较先进的技术，如硬件利用了双 CPU 结构，分工协调，保证了切换的可靠性、快速性和灵活性。软件采用了汇编和 C 语言相结合的技
3、术，是本装置功能得到了很大的增强，且有较强的实用性和实践中分析事故和问题的功能。第二章 厂用电切换原理及分析21 厂用电切换方式厂用电源切换的方式可按开关动作顺序分，也可按启动原因分，还可按切换速度进行分类。（1）按照开关动作顺序分类（动作顺序以工作电源向备用电源为例）： 并联切换：先合上备用电源开关，两电源短时并联，再跳开工作电源开关，这种方式多用于正常切换，如起、停机过程中的厂用电倒换。并联方式分为自动和并联半自动两种。 串联切换：先跳开工作电源开关，在确认工作开关跳开后，在合上备用电源开关。母线断电时间至少为备用电源开关合闸的时间。此种方式多用于事故切换。 同时切换：这种方式介于并联切换
4、和串联切换之间。合备用电源开关命令在跳工作电源开关命令发出之后、工作电源开关跳开之前发出。母线断电时间大于 0ms 而小于备用开关合闸时间，可以通过设置延时来调整。这种方式既可用于正常切换，也可用于事故切换。（2）按照起动原因分类： 正常手动切换：由运行人员手动操作起动，快切装置按事先设定的手动切换方式（并联、同时）进行分合闸操作。 事故自动切换：由保护节点起动。发变组、厂变和其他保护出口跳工作电源开关的同时，启动快切装置进行切换，快切装置按事先设定的自动切换方式（串联、同时）进行分合闸操作。 不正常情况自动切换：由两种不正常情况，一是母线失压。母线电压低于整定电压达整定延时后，装置自行起动，
5、并按自动方式进行切换。二是工作电源开关误跳，由工作电源开关辅助接点起动装置，在切换条件满足时合上备用电源开关。（3）按切换速度分类： 快速切换 短延时切换 同期补捉切换 残压切换22 快速切换、同期捕捉切换、残压切换原理（1）快速切换假设有图 1 所示的厂用电系统，工作电源由发电机出口经厂用高压变压器引入，备用电源由其他系统经起动/备用变压器或其下面的高压母线引入。正常运行时，厂用母线由工作电源供电，当工作电源侧发生故障时，必须跳开工作开关 1DL，合 2DL，跳开 1DL 时厂用母线失电，由于厂用负荷多为异步电动机，电动机将惰走，母线电压为众多电动机的合成反馈电压称其为残压，残压的频率和幅值
6、将逐渐衰减。以极坐标形式绘出的 6KV 母线残压向量变化轨迹如图 2 所示。图 1 厂用电一次系统（一段）简图 图 2 母线残压特性示意图图 3 电动机重新接通电源时的等值电路和相量图图 2、3 中 VD 为母线残压，VS 为备用电源电压，U 为备用电源电压与母线残压压间的差拍电压。合上备用电源后，电动机承受的电压 UM 为：UM=XM/( XS+ XM) U (1)式中，XM母线上电动机组和低压负荷折算到高压厂用电压后的等值电阻。XS电源的等值电抗。令 KXM/( XS+ XM)，则UM=K U (2)为保证电动机安全自起动，UM 应小于电动机的允许起动电压，设允许起动电压为 1.1 倍额定
7、电压 UDe，则有：K U1.1UDe （ 3）U1.1/K （4）通常情况根据经验值，设 K0.67，则U1.64 。图中，以 A 为圆心，以1.64 为半径绘出弧线 AA，则 AA的右侧为备用电源允许合闸的安全区域，左侧则为不安全区域。若取 K=0.95，则U 1.15，图 2 中 BB的左侧均为不安全区域。假定正常运行时工作电源与备用电源同相，其电压向量端点为 A，则母线失电后残压相量端点将沿残压曲线由 A 向 B 方向移动，如能在 AB 段内合上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，这就是所谓的“快速切换” 。图 2 中快速切换时间小于 0.2S，实际应用时，B 点
8、通常由相角来界定，如60，考虑到合闸回路固有时间，合闸命令发出的角度应小于 60，即应有一定的提前量，提前量的大小取决于频差和合闸时间，如在合闸固有时间内平均频差为 1HZ，合闸时间为 100ms，则提前量约为 36。快切切换的整定值有两个，即频差和相角差，在装置发出合闸命令瞬间将实测值与整定值进行比较，判断是否满足合闸条件。由于快速切换总是在起动后瞬间进行，因此频差和相差整定可取较小值。（2）同期捕捉切换同期捕捉切换成功运用于 MFC20002 型快切装置。其原理概括如下：图 2 中，过 B 点后 BC 段为不安全区域，不允许切换，在 C 点后至 CD 段实现的切换以前通常成为“延时切换”或
9、“短延时切换” 。前面已分析过，用固定延时的方法并不可靠。最好的办法是实时跟踪残压的频差和角差变化，尽量做到在反馈电压与备用电源电压向量第一次相位重合时合闸，这就是所谓的“同期捕捉切换” 。以上图为例，同期捕捉切换时间约为 0.6S，对于残压衰减较快的情况，该时间要短的多。若能实现同期捕捉切换，特别是同相点合闸，对电动机的自起动也很有利，因此时厂用母线电压衰减到 6570左右，电动机转速不至于下降很大，且备用电源合上时冲击最小。需要说明的是，同期捕捉切换之“同期”与发电机同期“并网”有很大不同，同期捕捉切换时，电动机相当于异步电动机，其定子绕组磁场已由同步磁场转为异步磁场，而转子不存在外加原动
10、力和外加励磁电流。因此，备用电源合上时，若相角差不大，即使存在一些频差和压差，定子磁场也将很快恢复同步，电动机也很快恢复正常异步运行。所以，此处同期指在相角差零点附近一定范围内合闸（同上） 。在实现手段上，同期捕捉切换有两种基本方法：一种基于“恒定越前相角”原理，即根据正常厂用负荷下同期捕捉阶段相角变化的速度（取决于该频差）和合闸回路的总时间，计算并整定出合闸提前角，快切装置实时跟踪频差和相差，当相差达到整定值，且频差不超过整定范围时，放弃合闸，转入残压切换。这种方法缺点是合闸角精确度不高，且合闸角随厂用负载变化而变化。另一种基于“恒定越前时间”原理，即完全根据实时的频差、相差，依据一定的变化
11、规律模型，计算出离相角过零点的时间，当该时间接近合闸回路总时间时，发出合闸命令。该方法从理论上讲，能较精确地实现过零点合闸，且不受负荷变化影响。但是实用时，需要解决不少困难：一是要准确地找出频差、相角差变化的规律并给出相应的数学模型，不能简单地利用线性模型；二是由于厂用电反馈电压频率变化的不完全连续性（有跳变）及频率测量的间断性（10ms 一点）等，造成频差及相差测量的间断和偏差；另外，合闸回路的时间也有一定的离散性等。由于在同期捕捉阶段，相差的变化速度可达 12/1ms，因此，任何一方面产生的误差都将大大降低合闸的准确性。MFC2000 系列快切装置的“恒定越前时间”同期捕捉切换方法，采用动
12、态分阶段二阶数学模型来模拟相角差的变化，并用最小二乘法来克服频率变化及测量的离散性及间断性，使得合闸准确定大大提高。如不计合闸回路的时间偏差，可使合闸角限制在10 度以内。同期捕捉切换整定值也有两个。当采用恒定越前相角方式时，为频差和相角（越前角） ；当采用恒定越前时间方式时，为频差和越前时间（合闸回路总时间） 。同期捕捉方式下，频差整定可取较大值。（3）残压切换当残压衰减到 20%-40%额定电压后实现的切换通常称为“残压切换” 。残压切换虽然能保证电动机安全，但由于停电时间过长，电动机子起动成功与否、自起时间等都要受到较大限制。如上图情况下，残压衰减到 40%的时间约为 1秒，衰减到 20
13、%的时间约为 1.4 秒。而对另一机组的试验结果表明，残压到 20%的时间为 2 秒。23 厂用电切换应用事项由于厂用电母线上电动机的特性有较大差异，合成的母线残压特性曲线与分类的电动机相角、残压曲线的差异也较大，因此安全区域的划定严格来说需根据各类电动机参数、特性、所带负荷等因素通过计算确定。现场根据所带负荷的参数和特性进行必要的调试，来确定快切装置的动作参数。实际运行中，可根据典型机组的试验确定母线残压特性。试验表明，母线电压和频率衰减的时间、速度和达到最初反相的时间，主要取决于试验前该段母线的负载。负载越多，电压、频率下降的越慢，达到首次反相和再次同相的时间越长。而相同负载容量下，负荷电
14、流越大，则电压、频率下降的越快，达到最初反相和同相的时间越短。快速切换的思想在快速开关问世以后才得以实现。快速开关的合闸时间一般小于 100ms，有的甚至只有 40-50ms 左右，这为实现快速切换提供了必要条件。假定事故前工作电源与备用电源同相，并假定从事故发生到工作开关跳开瞬间，两电源仍同相，则若采用同时方式切换，且分合闸错开时间（断电时间）整定得很小（如 10ms） ，则备用电源合上时相角差也很小，冲击电流和自起动电流均很小。若采用串联切换，则断电时间至少为合闸时间，假定为 100ms，对 60 万机组，相角差约为 20-30左右，备用电源合闸时的冲击电流也不很大，一般不会造成设备损坏或
15、快切失败。国外在发电厂厂用电或其他有高压电动机场合的变电站电源切换中，普遍采用结合快速开关的快速切换装置，且切换方式已同时方式为主。快速切换能否实现，不仅取决于开关条件，还取决于系统接线、运行方式和故障类型。系统接线方式和运行方式决定了正常运行的厂用母线电压与备用电源电压间的初始相角，若初始相角较大，如大于 20，则不仅事故切换时难以保证快速切换成功，连正常并联切换也将因环流太大而失败或造成设备损坏事故。故障类型则决定了从故障发生到工作开关跳开这一期间厂用母线和备用电源电压的频率、相角和幅值变化，此外，保护动作时间和其他有关开关的动作时间及顺序也将影响频率、相角等的变化。因此，实际情况下，可能出现这样的情况，一是某些电厂，客观条件上无法实现快速切换；二是有的机组有时候快速切换成功，有时快切不成功。快切不成功时最佳后备方案是同期捕捉。有关数据表明：反相后第一个同期点时间约为 0.4-0.6 秒，残压衰减到允许值（20%-40%）为 1-2 秒，而长延时则要经现场试验后根据残压曲线整定，一般为几秒，以保证自起动电流在 4-6倍内。可见，同期捕捉切换，较之残压切换和长延时切换有明显的好处。目前，有些电厂采用发-变-线路组接线方式，或发电机端直接升高至500KV，而起动/备用变电源由附近 220 或 110KV 变电站提供，在正
